ДВУХФАЗНЫЙ LC-ГЕНЕРАТОР КВАДРАТУРНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2013 года по МПК H03B27/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами.

Уровень техники

Известны методы и устройства формирования (генерации) гармонических электрических колебаний одной частоты с различными фазами (обычно сдвинутыми по фазе на π/2) [1-6], основанные на использовании фазосдвигающих RC-цепей (интегрирующих или дифференцирующих). Это, например, многофазные RC-генераторы в [1], измерительные низкочастотные генераторы квадратурных гармонических колебаний (с фазовым сдвигом π/2) и колебаний сложной формы типа Г6-15, Г6-26 и др. [2]. Генератор трехфазных гармонических колебаний с тремя последовательно включенными интегрирующими RC-усилителями [3], а также RC-генератор с двумя интегрирующими цепочками, конденсаторы в которых заземлены и выполнены в виде сдвоенного переменного конденсатора, обеспечивающего плавную перестройку частоты колебаний с сохранением постоянного сдвига фазы [4]. Такой двухфазный генератор гармонических колебаний с двумя интегрирующими усилителями был запатентован в [5], а в [6] предложен образец такого генератора квадратурных синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями, с колебательным звеном на основе двух интеграторов и инвертора, работающий в диапазоне частот от 1 Гц до 200 кГц.

Известные устройства для генерации двухфазных (квадратурных) гармонических колебаний на основе RC-интеграторов, таким образом, могут работать только в диапазоне низких частот (до сотен кГц), что является их главным недостатком. Кроме того, RC-генераторы имеют, как известно, невысокую стабильность частоты.

На более высоких частотах (единицы-десятки МГц) наибольшее распространение для генерации гармонических колебаний получили LC-генераторы на полупроводниковых активных элементах [8]. В них частота генерации задается L и С элементами, образующими резонансный колебательный контур, а перестройка этой частоты осуществляется, как правило, изменением емкости контура (С) при использовании переменного конденсатора или, например, варикапов (при электронной перестройке частоты генерации). При обширном многообразии различных схем LC-генераторов [8, 9] наибольшее распространение получили так называемые «трехточечные» (ТТ) схемы, содержащие, как правило, однотранзисторный активный элемент (биполярный (БТ) или полевой (ПТ) транзистор) и три реактивных элемента (L, С), определяющих не только частоту генерации, но и величину коэффициента обратной связи (положительной, за счет которой и обеспечивается возбуждение колебаний в генераторе). При этом различают индуктивные ТТ схемы (с двумя L и одним С элементами) и емкостные ТТ схемы (с одним L и двумя С-элементами). Однако эти простые ТТ схемы обеспечивают не самую высокую стабильность частоты генерируемых колебаний, которая ограничивается величиной эквивалентной (нагруженной) добротности колебательного L, С-контура О_Э. В ТТ схемах этот контур шунтируется как выходным, так и входным сопротивлениями активного элемента (которое мало у БТ), поэтому величина его эквивалентной добротности О_Э оказывается не очень высокой.

Наименьшее шунтирование LC-контура и, следовательно, наибольшая величина Q_Э достигаются в так называемых «двухточечных» схемах LC-генераторов [8, 9], в которых используется параллельный LC-контур (с «полным» включением) и активный элемент из двух-трех транзисторов. Так, например, в схеме генератора со стабилизатором тока ([8]. - С.104, рис.7.13) используется параллельный LC-контур, подключенный ко входу ПТ. Положительная обратная связь осуществляется через стабилизатор тока на двух ВТ, образующих «токовое зеркало», вход которого подключен к выходу ПТ, а выход подключен к контуру. Стабилизируемый ток регулируется переменным резистором (в цепях эмиттеров БТ). В этой схеме контур шунтируется входным сопротивлением ПТ (которое велико) и выходным сопротивлением генератора стабильного тока (оно тоже велико), поэтому величина О_Э и стабильность частоты этого генератора примерно в 10 раз выше, чем у других подобных генераторов [8]. Похожая (но более простая) схема «двухточечного» LC-генератора приведена в [9] (на с.78, рис.2.31), в которой используется активный элемент на ПТ (по схеме с общим истоком с большим R_ВХ и на БТ (с общим эмиттером с большим R_вых). Эта схема идентична схеме высокостабильного двухточечного генератора из более раннего источника [10], в котором приводятся некоторые экспериментальные данные, подтверждающие гораздо более высокую стабильность частоты (кратковременную) этого генератора по сравнению с ТТ схемами.

Среди многочисленных вариантов схем LC-генераторов, однако, не было найдено генераторов гармонических колебаний квадратурных с двумя выходами с фиксированным сдвигом фазы π/2, сохраняющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы π/2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Способ получения таких колебаний основан на использовании известной взаимосвязи между током в катушке индуктивности ί_L(1) (0 и напряжением на ней u_L(t)=L dί_L/dt (см., например, [7]). При гармоническом воздействии u_L(t)=Ucosωt, в частности (как показано в [7] на с.54), ток ί_L(t)=(U/ωL) sinωt=I_Lcos(ωt-π/2) также (как и u_L) имеет форму гармонического колебания, сдвинутого по фазе на π/2. Поэтому, включив последовательно с катушкой индуктивности L постоянный резистор R с малым сопротивлением (RR<<ωL), получим при гармоническом напряжении на катушке индуктивности L u_L=Ucoscot на резистивном элементе напряжение, пропорциональное току в катушке индуктивности ί_L(t) в виде U_r(t)=R·I_lcos(ωt-π/2) гармонического напряжения, сдвинутого по фазе на π/2. Для реализации этого способа получения квадратурных гармонических колебаний лучше всего подходит рассмотренная выше схема «двухточечного» LC-генератора с полным включением параллельного LC-контура (прототип) [8, 9, 10]. Схема функциональная предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Она содержит колебательный контур 1, включающий в себя катушку индуктивности L и емкостную цепь 2, составленную (в общем случае) из конденсатора постоянной емкости С_о и переменного конденсатора С_П (для перестройки частоты генерируемых колебаний), а также варикапов (для электронной перестройки частоты). Активный элемент генератора 3 включает в себя последовательно соединенные широкополосные усилительные каскады (инвертирующие (оба) или неинвертирующие) 4 с большим входным сопротивлением и 5 (с большим выходным сопротивлением), при этом вход каскада 4 и выход каскада 5 соединены вместе с одним полюсом колебательного контура 1, другой вывод которого соединен с общей шиной общей для контура и усилителей (всех), как показано на фиг.1 Для осуществления положительной обратной связи и возбуждения генератора усилительные каскады 4 и 5 должны вместе обеспечивать достаточное усиление и «нулевой» суммарный фазовый сдвиг φ=0+2πn (где n - целое число) выходных колебаний каскада 5 относительно входных колебаний каскада 4. Имеется также (в общем случае) выходной буферный широкополосный усилительный каскад 6 (инвертирующий или неинвертирующий), вход которого соединен с выходом активного элемента 3 (например, с выходом каскада 4), а выход 7 является одним выходом устройства. Для одновременного получения квадратурных колебаний последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент 8 R с малым сопротивлением (или его эквивалент), к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя 9, к выходу которого (в общем случае) подключен еще и буферный широкополосный выходной усилительный каскад 10 (инвертирующий или неинвертирующий), выход которого образует другой выход устройства 11, гармонический сигнал которого сдвинут по фазе на 90° (π/2) относительно сигнала на выходе 7.

Схема предложенного генератора может быть упрощена при включении в контур последовательно с катушкой индуктивности L входа дополнительного усилителя 9 с малым входным сопротивлением R_ВX (которое будет выполнять функцию резистивного элемента R в схеме на фиг.1), например с входным каскадом, выполненном на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. Для уменьшения изменения амплитуды колебаний на другом выходе 11 при перестройке частоты (это вытекает из зависимости от частоты амплитуды тока в катушке индуктивности I_L=U/ωL) дополнительный усилитель 9 следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления (АРУ).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - С.230-232.

2. Справочник по радиоизмерительным приборам. Под ред. В.С.Насонова. - Т.2. Измерение частоты, времени и мощности. Измерительные генераторы. - М.: Сов. радио, 1977. - С.158-165.

3. Ryder A.D.Multiphase low distortion oscillator. Wireless World, lanuary, 1981. P.59-60.

4. Pleass W. Phase - Shifting Oscillator. - Wireless World, June 1983. - P.33.

5. А.с. 1171958 (МКИ⁴), Н03В 27/00 СССР. Двухфазный генератор гармонических колебаний. - Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР / В.И.Кенцин и С.П.Новицкий. - Опубл. 16.12.83, БИ №29.

6. Рыбин Ю.К., Будейкин В.П., Маслов В.А., Фахретдинов П.Р. Генератор синусоидальных сигналов с малыми нелинейными искажениями. - Приборы и техника эксперимента. - 1988. - №6. - С.202.

7. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1972. - С.54.

8. Горошков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - С.104.

9. Афонский А.А.. Дъяконов В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. Серия «Библиотека инженера». Под ред. проф. В.П.Дьяконова. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. - С.78.

10. Петин Г. Высокостабильный двухточечный генератор. Радиолюбитель. - 1997. - №7. - С.34.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для генерации гармонических колебаний. Достигаемый технический результат - создание LC-генератора двух квадратурных колебаний с фиксированным сдвигом фазы π/2, не изменяющимся при перестройке частоты генерируемых колебаний. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний содержит параллельный колебательный LC-контур, двухкаскадный неинвертирующий активный усилительный широкополосный элемент, первый каскад которого должен иметь большое входное сопротивление, а второй каскад должен иметь большое выходное сопротивление, последовательно с катушкой индуктивности L в контуре включен резистивный элемент с малым сопротивлением или его эквивалент, к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя, на выходе которого получают гармонические колебания, квадратурные по отношению к гармоническим колебаниям на выходе первого каскада активного элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний, содержащий параллельный колебательный LC-контур, частота которого перестраивается за счет изменения емкости С, один вывод которого соединен с общей шиной, а к другому выводу которого присоединен вход двухкаскадного неинвертирующего активного усилительного широкополосного элемента, первый каскад которого должен иметь большое входное сопротивление, а второй каскад должен иметь большое выходное сопротивление, и его выход соединен с другим выводом колебательного LC-контура и с входом первого каскада, отличающийся тем, что последовательно с катушкой индуктивности колебательного контура между одним ее выводом и общей шиной включен резистивный элемент с малым сопротивлением, или его эквивалент, к которому присоединен вход дополнительного широкополосного усилителя, с выхода которого получают гармонические колебания, квадратурные, то есть сдвинутые по фазе на π/2 относительно основных колебаний на колебательном контуре и на выходе первого каскада активного элемента генератора.

2. Двухфазный LC-генератор квадратурных гармонических колебаний по п.1, отличающийся тем, что последовательно с катушкой индуктивности колебательного контура включен вход дополнительного усилителя с малым входным сопротивлением, например, с входным каскадом, выполненным на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, и этот дополнительный усилитель следует выполнить с цепью автоматической регулировки усиления.